预应力碳纤维布加固钢筋混凝土箱梁有限元分析*

梁腾飞（西安交通工程学院土木工程学院，陕西西安710300）

混凝土桥梁经过长期运营服役后，其老化速度较快，承载能力会有所下降，难以满足安全要求，因此目前结构加固改造技术发展较快。而传统的混凝土结构加固改造的方法，都或多或少存在着一些缺陷和不足之处[1]。而碳纤维复合材料因为其一些优良的性能，近些年在结构加固相关领域获得了越来越广泛的应用。

嵌入式预应力碳纤维布加固技术，既能发挥外贴预应力CFRP加固材料强度利用率高的特点，也能发挥表层嵌入式CFRP加固技术可以有效防止剥离破坏发生的优势[2-4]，更好地改善结构的性能。杨佳等[5]对未加固预应力钢筋混凝土T形梁与采用内嵌CFRP板条加固后的梁在单调荷载作用下的整个受力过程进行了分析，并进行了试验研究，分析了不同因素对加固梁力学性能的影响。高仲学等[6]进行了6根预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的试验研究，确定了加固后梁的剥离断裂破坏形态，并且得到了破坏时碳纤维布的有效应变。于龙[7]对碳纤维加固的钢筋混凝土梁建立了有限元模型，对CFRP的不同工作状态采用单元生死技术进行模拟，对试件梁开裂、屈服直至破坏的全过程进行了分析。金春福等[8]对经碳纤维加固的钢筋混凝土曲线梁进行了试验研究及有限元分析，获得了加固前后曲线梁的变形特征、破坏形态以及极限承载力。黄侨等[9]针对预应力碳纤维板锚固问题研制了一套新型设备体系，通过空间有限元数值分析，验证了该锚固体系的受力性能，并提出了相关的施工工艺要点。

现有的研究，以矩形和T形截面梁居多，箱形截面的较少，而箱梁在中小跨径桥梁中有较广泛的应用。本文针对钢筋混凝土箱形梁，采用嵌入式预应力CFRP布加固的方法对其进行抗弯加固，并开展试验研究和有限元数值模拟，对加固后箱梁的力学性能进行分析。

1 试验概况

以钢筋混凝土箱梁为加固试验对象，箱梁长3000mm，计算跨度为2800mm，横截面尺寸为B×H=600mm×300mm其尺寸及配筋均如图1所示。为了研究不同加固方式下箱梁的力学特性，共设计了5根试件。试件的编号及加固情况见表1。

箱梁的加固设计方案如图2所示，通过先锚固然后再张拉的方式实现对CFRP布预应力的施加，试验采用四分点集中力加载，通过反力架实现荷载的施加，为了避免造成局部混凝土压碎，在加载点及支座位置均布置了钢垫板。加载装置如图3所示。

图1 试件尺寸配筋

表1 试验梁编号及加固方式

图2 碳纤维布加固示意图

图3 试件加载现场图

2 有限元数值模拟

2.1 单元类型及材料参数

对于混凝土，选用SOLID65单元来进行模拟，使用Willam-Warnke强度准则和Hognested本构模型，并且将其压碎选项关掉，混凝土材料的相关参数如表2所示。采用分离式模型来模拟钢筋，选用LINK8单元，同时认为钢筋和混凝土两者之间粘接良好，通过共用节点实现两者之间的连接，其强化准则采用随动强化模型，应力—应变关系使用完全弹塑性的双直线模型，材料输入参数见表3。考虑碳纤维布各项异性的性能，使用SHELL181壳单元进行模拟，假定CFRP布与混凝土接触面之间不存在相对滑移，通过共用节点来模拟两者之间的连接，CFRP布的材料参数见表4。采用八结点SOLID45实体单元对集中荷载加载处及支座处放置的钢板进行模拟。

表2 混凝土输入参数

表3 钢筋输入参数

表4 碳纤维布输入参数

2.3 有限元模型

CFRP布的线膨胀系数是:α=7.5e-7，界面力学特性为:Ts=8MPa，δ1=0.05mm，预应力初始值大小为1000MPa。预应力碳纤维布的预加应力用升温法进行模拟，对应的温度变化值大小为ΔT=5442.76。

加固后RC箱梁的有限元模型如图4～图6所示。

图4 箱梁有限元模型

图5 钢筋单元模型

图6 碳纤维布单元模型

3 数值模拟与试验结果的比较分析

各试件的实测极限荷载及有限元分析结果见表5。各个试件跨中位置处的荷载—挠度曲线如图7所示。

表5 极限荷载分析值与试验值对比

图7 试件荷载-挠度曲线

由上面的试验结果可以看到，当钢筋混凝土箱梁采用不同的方式经过碳纤维布加固后，梁的强度以及刚度都得到了不同程度的提高，加固量、预应力、加固方式等均会对承载能力有一定的影响。从试验结果可以看出，在相同的加固方式下，碳纤维布的加固量越大，承载能力也越高；相同加固方式及加固量下，预先对碳纤维布施加预应力，加固效果更好；相同的加固量、同等的预应力程度下，采用嵌入式加固技术较外贴式加固技术承载能力提高更明显。

采用嵌入式预应力CFRP布加固的箱梁，试验及有限元分析得到的荷载-挠度曲线对比如图8所示。

图8 PRS-NSM2试件荷载-挠度曲线比较

将试验与有限元数值模拟求得的极限承载力结果进行比较可知，两者的计算结果比较接近，误差在可接受的范围内；有限元分析得到的荷载-挠度曲线也与试验得到的曲线吻合较好，因此可认为建立的有限元模型是可靠的，可以将有限元数值模拟作为研究预应力CFRP布加固钢筋混凝土箱形梁的一种补充手段，进行更深入的研究。

4 结语

采用嵌入式预应力CFRP布对钢筋混凝土箱梁进行加固，可以显著提高箱梁的承载能力。

采用碳纤维布用不同的方式对钢筋混凝土箱梁进行抗弯加固，都能够在一定程度上提高箱梁的极限承载能力，尤其是采用嵌入式预应力碳纤维布加固方式进行加固的箱梁，其承载能力的提高更为显著。

建立的有限元数值模型，计算出来结果与试验结果吻合较好，说明本文建立的有限元模型精度较好，可以比较好地模拟嵌入式预应力碳纤维布加固后箱梁的力学性能，通过有限元数值模拟方法，可以进行更深入的研究，进一步分析碳纤维的加固量、碳纤维的宽度、厚度、预应力的大小等影响因素对加固效果的影响，完成一些试验无法完成的分析。